亮点 | 集成波导中超平坦色散的产生

来源：中国激光

PR第11期Editors’ Pick:

Yuhao Guo, Zeinab Jafari, Lijuan Xu, Changjing Bao, Peicheng Liao, Guifang Li, Anuradha M. Agarwal, Lionel C. Kimerling, Jurgen Michel, Alan E. Willner, Lin Zhang. Ultra-flat dispersion in an integrated waveguide with five and six zero-dispersion wavelengths for mid-infrared photonics[J]. Photonics Research, 2019, 7(11): 1279-1286

色散是光波导的一个基本特性，它不仅会对光脉冲时域整形起到关键作用，而且也和非线性效应一起共同对脉冲的光谱演化产生影响。在不同频率的连续波非线性参量相互作用中，色散对于决定相位匹配条件也很重要，具有低色散和高非线性的光学器件对于宽带非线性过程大有裨益。因此，在高非线性光波导中的色散调控技术已被广泛应用于光参量振荡/放大、超连续谱和频率梳的产生。

通常来讲，研究人员需要调控色散的符号（正常或者反常）、大小、色散斜率、零色散波长的个数、所需的色散带宽以及色散平坦度（定义为色散带宽除以色散变化量）。尤其是对于宽带非线性应用而言，色散平坦化技术对于获得宽带相位匹配以及高转化效率至关重要。

色散来源于器件的材料以及结构，并且当所研究的带宽足够大时，色散将会不可避免地产生变化。在传统的光波导中，想要同时控制色散的各个方面是非常具有挑战性的。

近年来，研究人员们在不同类型的光学器件，例如光子晶体光纤和集成波导中均提出了具有多个零色散波长产生的色散调控技术。在光子晶体光纤中，其本身复杂的几何结构提供了多个自由度来对色散进行调控，当波导色散和材料色散达到平衡时，能够产生2个、3个和4个零色散波长。在集成波导中，高的折射率对比度以及模式的紧束缚会引起强的波导色散，与材料色散相比，波导色散占据主导地位。因此，具有多个零色散波长产生的色散平坦化技术可以通过从新的结构中引入附加的波导色散来补偿现有的材料/波导色散实现，例如色散平坦的条型/槽型混合的硅波导就是基于此项技术。

对色散平坦化技术而言，目前仍有一些基础的问题亟待解决，例如：色散曲线能做到多平坦？零色散波长的个数有没有限制？色散平坦化的最大带宽有多大？探究这些问题的解决方案不仅可以令研究人员对于色散调控原理有更深入的理解，而且对于一些实际的应用例如宽带非线性光学的研究等也具有重要的意义。

为了解决上述问题，来自天津大学精密仪器与光电子工程学院的郭宇昊博士和张林教授开展了他们对于色散调控方面的最新研究工作。研究成果发表在Photonics Research 2019年第7卷第11期上，被主编选为Editors’ Pick。

获得具有更多零色散波长的色散曲线方案示意图。

对于具有多个零色散波长产生的色散调控技术，产生更多的零色散波长将会极大地拓展低色散的带宽，这对于宽带非线性应用而言是很有帮助的。基于之前的报道，一个纳米槽可以在色散带宽的中心引入一个正常色散区域并因此产生2个零色散波长，那么可以想到，通过引入另外一个纳米槽就可以产生包含多于4个零色散波长的色散曲线。值得注意的是，为了在色散曲线上再引入2个零色散波长，那么以上述方式设计的第二个纳米槽相比原有的纳米槽而言应该响应更长的波长。通过合理地调节结构尺寸，研究人员可获得一条比单沟槽型波导要多2个零色散波长的色散曲线。

然而，这种波导有一个明显的缺陷，那就是模式会随着波长变长而不断上移，导致在频谱上间隔较远的两个模式电场交叠积分小。这将会使得一个倍频程上的非线性相互作用明显变弱，非线性转换效率变低。因此，最好是使模式在沿波导竖直方向的中心位置处保持稳定，与此同时进行色散调控。为了达到这个目的，研究人员在波导芯区下部引入了一个平板，平板的折射率大于原有槽的折射率，在更长的波长处，模式会更多地分布在下部的平板中，从而对其向上偏离的趋势有均衡的作用，并且由于平板的加入，会在更长的波长处引入2个零色散波长。波导芯区的外部覆盖包层，这有助于减缓模式随着波长向下方分布的速度。考虑上述所有的因素，最终可形成该项研究提出的波导。

基于上述原理，研究人员展示了一种能够在中红外波段产生超低且平坦色散的新型集成波导，在一个倍频程的带宽范围内（4-8 μm），总的色散变化量只有0.5 ps/nm/km，这是目前的相关工作中色散最平坦的报导，色散平坦度实现了大于一个量级的提升。更为重要的是，研究人员展示了如何调控该波导产生5个甚至6个零色散波长，这显示出在集成波导中进行色散调控所具有的前所未有的能力和多样性。另外，他们对这种波导的加工容忍度也进行了检验。总体而言，这种具有超平坦且低的色散，并且同时具有5个或6个零色散波长的色散曲线为研究人员探索中红外波段丰富的非线性现象和机制提供了契机。

本文通讯作者张林教授认为，这项技术对于实现宽带或者能覆盖一个倍频程的光源而言是不可或缺的，该光源可用于大容量通信、超高分辨率光学层析成像以及宽带传感领域。

未来的工作将致力于该波导的加工方面，以及基于此波导产生的色散实现宽带激光光源的实验产生。